Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines hydraulischen Antriebs, der eine von einem drehzahlvariablen elektrischen Motor angetriebene hydraulische Pumpe und einen mit der hydraulischen Pumpe verbundenen hydraulischen Verbraucher mit einem positionierbaren Element umfasst, sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.

Stand der Technik

Bei einer elektrohydraulischen Achse handelt es sich um einen hydraulischen Antrieb mit einem Motor, einer hydraulischen Pumpe und einem hydraulischen Zylinder, bei dem eine elektrische bzw. elektronische Regelung bspw. der Position des Zylinders bzw. dessen Kol bens möglich ist. Solche elektrohydraulische Achsen werden beispielsweise für sog. Tief ziehpressen, Spritzgießmaschinen oder auch bei anderen Umformtechnikmaschinen ver wendet, ebenso wie beispielsweise zum Bewegen schwerer Lasten oder Maschinenteile.

Meist sind bei solchen elektrohydraulischen Achsen ablösende Kraft-Positions-Regelungen vorgesehen, d.h. es findet beispielsweise je nach Betriebspunkt eine Kraftregelung oder eine Positionsregelung statt. Anstelle einer Kraftregelung kann auch eine Druckregelung vorge sehen sein, welche aufgrund des Zusammenhangs zwischen Kraft und Druck über die An griffsfläche des Drucks, beispielsweise in einem hydraulischen Zylinder, äquivalent sind.

Bei solchen Regelungen kann beispielsweise ein Ventil zur Volumenstromänderung der Hyd raulikflüssigkeit in den Zylinder verwendet werden. Auch kann eine Regelung der Drehzahl des die Hydraulikpumpe antreibenden Motors erfolgen. Die Hydraulikpumpe kann insbeson- l dere als Konstantpumpe mit festem Fördervolumen oder als Verstellpumpe mit variablem Fördervolumen pro Arbeitsspiel ausgebildet sein.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben eines hydraulischen Antriebs sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkma len der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Die Erfindung beschäftigt sich mit einem Verfahren zum Betreiben eines hydraulischen An triebs, der eine von einem drehzahlvariablen elektrischen Motor angetriebene hydraulische Pumpe, insbesondere eine Konstantpumpe, und einen mit der hydraulischen Pumpe ver bundenen hydraulischen Verbraucher mit einem positionierbaren Element umfasst. Bei dem hydraulischen Verbraucher mit positionierbarem Element handelt es sich vorzugsweise um einen Hydraulikzylinder mit einem Kolben als positionierbarem Element.

Typisch für den Betrieb eines solchen hydraulischen Antriebs ist eine Regelung oder ggf. auch nur Steuerung einer Position oder ggf. Geschwindigkeit des positionierbaren Elements einerseits und eines an dem positionierbaren Element des hydraulischen Verbrauchers an liegenden Drucks oder ggf. einer durch das positionierbare Element des hydraulischen Ver brauchers ausgeübten Kraft andererseits. Hierzu sei der Vollständigkeit halber erwähnt, dass eine Druckregelung und eine Kraftregelung bei einem hydraulischen Verbraucher äquivalent sind, da der Druck über eine Angriffsfläche mit der Kraft korreliert ist. Wie eingangs erwähnt, können hierbei ablösende Kraft-Positions-Regelungen vorgesehen sein, d.h. es findet bei spielsweise je nach Betriebspunkt eine Kraft- bzw. Druckregelung oder eine Positions- bzw. Geschwindigkeitsregelung (oder jeweils ggf. nur Steuerung) statt. We ebenfalls schon er wähnt, kann bei solchen Regelungen beispielsweise ein Ventil zur Volumenstromänderung des Hydraulikmediums in den hydraulischen Verbraucher verwendet werden. Auch bzw. al ternativ kann eine insbesondere unterlagerte Regelung der Drehzahl des die Hydraulikpum pe antreibenden Motors erfolgen, die mit der Drehzahl der Pumpe korreliert, insbesondere sogar identisch ist. Für einen ordentlichen Betrieb eines solchen hydraulischen Antriebs sind Istwerte für die betreffenden Größen, also insbesondere Position bzw. Geschwindigkeit des positionierbaren Elements sowie des Drucks bzw. der Kraft nötig. Dies können mit entsprechenden Sensoren, die an geeigneten Stellen an dem hydraulischen Verbraucher angeordnet sind, erfasst bzw. gemessen werden.

Nachteilig hieran sind allerdings die hohen Kosten für solche Sensorik und deren Integration in den hydraulischen Antrieb. Insbesondere bei einfachen Anwendungen von hydraulischen Antrieben sind diese hohen Kosten meist unerwünscht.

Vor diesem Hintergrund wird vorgeschlagen, dass basierend auf einem Modell des hydrauli schen Antriebs und einer Drehzahl oder einer Anzahl an Umdrehungen der hydraulischen Pumpe (diese korrelieren, wie erwähnt, mit der Drehzahl bzw. Anzahl an Umdrehungen des elektrischen Motors und können insofern auch gleichbedeutend verwendet werden) ein Posi- tions- und/oder Geschwindigkeitsschätzwert für eine Position bzw. Geschwindigkeit des posi tionierbaren Elements des hydraulischen Verbrauchers ermittelt wird, mit bzw. basierend auf dem der hydraulische Antrieb dann betrieben wird, und zwar insbesondere, indem der Posi- tions- und/oder Geschwindigkeitsschätzwert als Istwert für eine Regelung des positionierba ren Elements des hydraulischen Verbrauchers verwendet wird.

Mittels der Regelung wird dabei insbesondere der an dem positionierbaren Element des hyd raulischen Verbrauchers anliegende Druck oder die durch das positionierbare Element des hydraulischen Verbrauchers ausgeübte Kraft geregelt. Die Position und/oder Geschwindig keit des positionierbaren Elements des hydraulischen Verbrauchers hingegen werden dann bevorzugt gesteuert, können jedoch im Rahmen der Erfindung ebenfalls geregelt werden..

Bei dem Modell kann es sich z.B. um ein physikalisches Modell des hydraulischen Antriebs handeln, bei dem alle relevanten geometrischen Abmessungen des konkreten hydraulischen Antriebs berücksichtigt sind. Damit kann z.B. berechnet werden, welche Menge an Hydrau likmedium bei einer Umdrehung der Pumpe in den hydraulischen Verbraucher gefördert wird und um welchen Weg sich das positionierbare Element dadurch bewegt. Hier können insbe sondere auch dynamische Effekte berücksichtigt werden. Damit wird also eine Art modellba sierte Sensorik bereitgestellt, die ohne physische Sensoren auskommt. In diesem Zusam menhang wird auch von einem Beobachter gesprochen, mittels dessen die Schätzwerte er- mittelt werden. In einfacher Ausführung ergibt sich eine Volumenänderung als Produkt von Pumpenumdrehung und Fördervolumen, und eine Positionsveränderung als Quotient aus Volumenänderung und Zylinderquerschnittsfläche.

Auf diese Weise wird eine besonders einfache, kostengünstige und robuste Lösung für hyd raulische Antriebe wie vorstehend erwähnt, z.B. elektro-hydraulischen Aktoren oder Achsen, bereitgestellt, die zudem Plug&Run-fähig ist, d.h. mehr oder weniger einfach aufgestellt und verwendet werden kann, und außerdem im Servicefall einfach zu handhaben ist und somit eine breite Anwendung ermöglicht. Insbesondere für einfache Anwendungen mit ggf. einge schränkter Dynamik und Präzision wie z.B. Hubachsen, Klemmachsen oder Armaturen ist das vorgeschlagene Vorgehen mit dem Modell hinreichend genau.

Während für die Position und/oder die Geschwindigkeit nun Schätzwerte (also Positions und/oder Geschwindigkeitsschätzwert) verwendet werden, können Werte oder Istwerte für den an dem positionierbaren Element anliegenden Druck bzw. die durch das positionierbare Element ausgeübte Kraft weiterhin mittels Sensoren ermittelt werden. Denkbar ist hier z.B. die Verwendung jeweils eines Drucksensors an jedem der beiden Seiten eines differentiellen Zylinders des hydraulischen Verbrauchers.

Bevorzugt ist es aber auch, wenn weiterhin basierend auf dem Modell des hydraulischen Antriebs ein Druck- oder Kraftschätzwert für den Druck bzw. die Kraft ermittelt wird, insbe sondere unter Verwendung oder basierend auf einem Istwert eines Drehmoments (oder ggf. eines entsprechenden Stroms) des Elektromotors, wobei der hydraulische Antrieb dann ba sierend auf dem Druck- bzw. Kraftschätzwert betrieben wird, d.h. der Druck- oder Kraft schätzwert kann z.B. als Istwert für die erwähnte Regelung verwendet werden. Druck- bzw. Kraftsensoren sind zumindest an den betreffenden Stellen dann nicht nötig. Damit kann eine noch einfachere und noch günstigere Lösung bereitgestellt werden, wie dies z.B. bei der Anwendung für Stellantriebe oder Hubachsen bzw. Hubtische ausreichend ist.

Vorzugsweise wird in dem Modell des hydraulischen Antriebs auch eine Leckage von Hyd raulikmedium, wie sie z.B. im hydraulischen Verbraucher, der Pumpe und Hydraulikleitungen auftreten kann, berücksichtigt. Die Leckagemenge wird dabei auch von dem durch das posi tionierbare Element zurückgelegten Weg, ggf. auch dessen Geschwindigkeit, abhängen. Damit wird der Betrieb bzw. die Regelung des hydraulischen Antriebs trotz fehlender Senso- ren noch genauer. Wie sich herausgestellt hat, kann hierbei insbesondere zwischen ver schiedenen Arten des Betriebs unterschieden werden. So kann z.B. die Leckage von Hyd raulikmedium individuell (also mit ggf. unterschiedlichen Faktoren) für ein Ausfahren und/oder ein Einfahren und/oder ein rekuperierendes Ausfahren des positionierbaren Ele ments berücksichtigt werden. Rekuperation bedeutet hierbei einen Betrieb eines Differenzi alzylinders, bei dem beide Zylinderkammern hydraulisch verbunden werden und über weiter hin zugeführten Volumenstrom mit Hydraulikmedium gefüllt werden. Der Zylinder fährt dabei aus, da bei annähernd gleichen Drücken die ausfahrende Kraft durch die (größere) Kolben fläche die einfahrende Kraft durch die (kleinere) Ringfläche übersteigt. Beim Ausfahren wird das aus der Ringkammer verdrängte Öl in die Kolbenkammer geführt. Dieser Volumenstrom muss nun nicht mehr von der „normalen“ (oder regulären) Volumenstromquelle (Pum pe/Ventil) gefördert werden. Effektiv muss die „normale“ Volumenstromquelle nur noch auf die Stangenfläche (= Kolbenfläche - Ringfläche) Hydraulikmedium fördern, sodass deutlich geringere Volumenströme aus der „normalen“ Quelle benötigt werden bzw. mit dem maxima len Volumenstrom der „normalen“ Quelle deutlich höhere ausfahrende Verfahrgeschwindig keiten möglich sind. Hierbei wird auch von einer sog. "Eilgang-Schaltung“ gesprochen.

Weiterhin ist es bevorzugt, wenn der Positions- und/oder Geschwindigkeitsschätzwert, ins besondere wiederholt (z.B. in regelmäßigen zeitlichen Abständen oder auch abhängig von dem insgesamt zurückgelegten Weg des positionierbaren Elements), korrigiert wird, indem mit dem positionierbaren Element des hydraulischen Verbrauchers eine Referenzposition angefahren wird. Bei einer solchen Referenzposition wie z.B. einer Endposition bzw. eines Endanschlags (d.h. wenn das positionierbare Element vollständig ein- oder ausgefahren ist bzw. mechanisch in Anschlag geht oder auch eine anderweitig genau erfassbare Position) ist die Position des positionierbaren Elements aufgrund z.B. dessen geometrischer Abmessun gen an sich bekannt. Das Erreichen des Endanschlags kann z.B. über das Motordrehmo ment und optional über Drucksensoren (sofern vorhanden) erkannt werden. Eine beliebige Referenzposition kann beispielsweise durch einen einfachen Taster (Schaltkontakt) erkannt werden. Es bietet sich an, eine solche Position an eine Stelle zu setzen, die möglichst häufig, beispielsweise in jedem Zyklus, erreicht wird.

Wenn in einer solchen Referenzposition der Positionsschätzwert vom tatsächlichen Wert abweicht - ein solches Wegdriften ist in der Praxis trotz genauer Modelle meist nicht zu ver hindern - kann eine Korrektur durchgeführt werden, d.h. der Schätzwert kann sozusagen zurückgesetzt werden. Mit einer solchen Korrektur kann insbesondere auch ein Wegdriften von Schätzwerten aufgrund der Leckage besonders gut kompensiert werden.

Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. eine Steuereinheit einer elektro-hydraulischen Achse, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.

Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computer programms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesonde re wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Com puternetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch darge stellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.

Figurenbeschreibung

Figuren 1a und 1b zeigen schematisch hydraulische Antriebe, die sich zur Durchführung ei nes erfindungsgemäßen Verfahrens eignen. Figur 2 zeigt schematisch ein Modell eines hydraulischen Antriebs, wie es bei einem erfin dungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform zum Einsatz kommen kann.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnung

In Figur 1a ist schematisch ein hydraulischer Antrieb 100a dargestellt, bei dem ein erfin dungsgemäßes Verfahren durchführbar ist, wie es auch nachfolgend erläutert werden soll. Der hydraulische Antrieb 100a weist vorliegend einen drehzahlvariablen elektrischen Motor bzw. Antrieb 110 auf, der z. B. über eine Kupplung 115 mit einer hydraulischen Pumpe 120 verbunden ist. Bei der hydraulischen Pumpe 120 handelt es sich z.B. um eine als Konstant pumpe ausgeführte Axialkolbenpumpe mit festem Fördervolumen pro Arbeitsspiel. Die hyd raulische Pumpe 120 kann mittels des elektrischen Motors 110 drehzahlvariabel angetrieben werden.

Weiterhin ist die hydraulische Pumpe 120 mit einem hydraulischen Verbraucher 130 verbun den, bei dem es sich vorliegend um einen Zylinder 131 mit einem als Kolben ausgebildeten positionierbarem Element 132 handelt. Die hydraulische Pumpe 120 ist an beiden Enden mit dem Zylinder 131 verbunden, sodass eine Bewegung des Kolbens 132 in beide Richtungen -je nach Drehrichtung der hydraulischen Pumpe 120 - möglich ist. Über eine als Steuerein heit ausgebildete Recheneinheit 150 kann der elektrische Motor 110, ggf. über weitere Kom ponenten wie Inverter oder Frequenzumrichter, angesteuert werden. Der hydraulische An trieb 100a kann somit als elektrohydraulische Achse verwendet werden.

Zum Betrieb des hydraulischen Antriebs 100a kann gemäß einem erfindungsgemäßen Ver fahren in einer bevorzugten Ausführungsform eine Steuerung oder ggf. auch Regelung der Position x des Kolbens bzw. positionierbaren Elements 132 vorgenommen werden. Hierzu kann der Steuereinheit 150 z.B. ein Sollwert x _so n für die Position x vorgegeben werden.

Für eine Reglung der Position x ist ein aktueller Istwert x, _st z.B. nötig. Dieser Istwert x, _st wird jedoch nicht mittels eines Sensors oder Wegaufnehmers erfasst bzw. gemessen, sondern mittels eines Beobachters 155 geschätzt, d.h. bei dem Istwert x, _st handelt es sich um einen Positionsschätzwert. Dabei wird der Istwert x, _st basierend auf einem Modell des hydrauli schen Antriebs, wie es nachfolgend in Bezug auf Figur 2 noch näher erläutert wird, und einer aktuellen Drehzahl n, _st der hydraulischen Pumpe 120 oder, hiermit gleichbedeutend, des elektrischen Motors 110 ermittelt. Hierbei kann z.B. berechnet bzw. abgeschätzt werden, welche Drehzahl für welche Zeitdauer - bzw. welchen Anzahl an Umdrehungen - nötig ist, um den Kolben um einen bestimmten Weg zu verfahren. Entsprechend kann der elektrische Motor mit z.B. einem Strom I als Stellgröße für eine unterlagerte Regelung der Drehzahl an gesteuert werden.

Wie eingangs schon erwähnt, kann auch eine Regelung eines an dem Kolben 132 anliegen den Drucks erfolgen. Hierzu ist ein Istwert p, _st des Drucks nötig, der bei dem hydraulischen Antrieb 100a jedoch - wie auch bei der Position - nicht mittels eines Sensors bzw. Druck messers ermittelt wird, sondern ebenfalls z.B. mittels des Beobachters 155, und zwar basie rend auf dem Modell und einem Drehmoment Mi _st des elektrischen Motors 110 (das ggf. aus einem drehmomentbildenden Strom erhalten wird)

Zur Korrektur z.B. des Positionsschätzwerts kann der Kolben zu einer Referenzposition X _R verfahren werden, bei der der Kolben z.B. mechanisch in Anschlag (hier: ganz eingefahren) geht. Diese Referenzposition X _R kann z.B. in der Steuereinheit hinterlegt sein, sodass, wenn der gemäß Modell hierzu ermittelte Positionsschätzwert von der Referenzposition X _R bzw. dem zugehörigen Positionswert abweicht, der Positionsschätzwert korrigiert werden kann.

Auf diese Weise kann also eine besonders einfache und robuste Steuerung bzw. Regelung des hydraulischen Antriebs ohne kostenintensive Sensoren erfolgen, die zumindest für ein fache Anwendungen auch hinreichend genau ist.

In Figur 1b ist schematisch ein hydraulischer Antrieb 100b dargestellt, bei dem ebenfalls ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Im Unterschied zu dem hydraulischen An trieb 100a gemäß Figur 1a sind hier zwei Drucksensoren 140, 141 vorgesehen, mittels wel cher ein Druck P _A auf der A-Seite des Zylinders 131 bzw. ein Druck P _B auf der B-Seite des Zylinders 131 im Druckmedium gemessen werden kann. Diese Druckwerte werden dann der Steuereinheit 150 zugeführt und dort als Istwerte bei der Steuerung bzw. Regelung verwen det. Im Vergleich zu dem in Bezug auf Figur 1a erläuterten Vorgehen wird hier also nur für die Position ein Schätzwert ermittelt, nicht aber für den Druck bzw. die Drücke. Im Übrigen kann auf die Beschreibung zu Figur 1a verwiesen werden. Auf diese Weise kann ebenfalls eine einfache und robuste Steuerung bzw. Regelung des hydraulischen Antriebs zumindest zum Teil ohne kostenintensive Sensoren erfolgen, die auch für etwas komplexere Anwendungen als bei der Variante gemäß Figur 1a hinreichend genau ist.

In Figur 2 ist schematisch ein Modell 200 eines hydraulischen Antriebs, wie es bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform zum Einsatz kommen kann bzw. kommt, und das insbesondere eine Leckage berücksichtigt, dargestellt. Durch eine Drehzahl n des elektrischen Motors 110 wird über ein Fördervolumen V _g der Pumpe ein Volumenstrom QP der hydraulischen Pumpe an Hydraulikmedium bewirkt.

Der in dem Zylinder ankommende Volumenstrom Qz entspricht grundsätzlich dem Volumen strom QP der hydraulischen Pumpe, jedoch reduziert um einen Leckagevolumenstrom Qi _eak , der aufgrund von Leckage z.B. in der Pumpe oder in den Leitungen verlorengeht. Dieser Leckagevolumenstrom Qi _eak hängt nun von einem Leckagefaktor k und von der Drehzahl n des elektrischen Motors (bzw. der Pumpe) ab.

Wie schon erwähnt, hat sich gezeigt, dass die Leckage bzw. dieser Leckagevolumenstrom Qieak je nach Art der Bewegung des Zylinders unterschiedlich sein kann, was in dem Modell 200 dadurch berücksichtigt wird, dass der Leckagefaktor, mit dem die Drehzahlmultipliziert wird, um den tatsächlichen Leckagevolumenstrom Qi _eak zu erhalten, je nach Situation unter schiedlich gewählt wird. So wird z.B. für ein Ausfahren des Zylinders der Faktor k _out , für ein Einfahren der Faktor km und für ein rekuperierendes Ausfahren der Faktor k _reC u verwendet. Diese Faktoren können für den jeweiligen Anwendungsfall beispielsweise an einem Prüf stand ermittelt werden. Beispiele für solche Faktoren zur besseren Veranschaulichung sind: kout = 0,7% ^* V _g , km = 3,5% ^* V _g und k _reC u = 2,4% ^* V _g . In der Praxis hängen diese Faktoren typischerweise von der konkreten Pumpe, ggf. den Ventilen, Hydraulikmedium, Betriebs druck, Zylinderdichtungen usw. ab. Auf diese Weise kann der Betrieb des hydraulischen An triebs nochmals verbessert werden.